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在現代的工業(yè)控制、車(chē)輛運動(dòng)和醫療設備等系統中，懸掛運動(dòng)系統的應用越來(lái)越多，在這些系統中懸掛運動(dòng)部件通常是具體的執行機構，因而懸掛部件的運動(dòng)精確性是整個(gè)系統工作效能的決定因素，而在實(shí)際中實(shí)現懸掛運動(dòng)控制系統的精確控制是非常困難的�？扛淖儜覓毂豢貙ο蟮睦K索長(cháng)短來(lái)控制被控對象運動(dòng)軌跡的懸掛運動(dòng)控制系統，在生產(chǎn)控制等領(lǐng)域有很廣的應用范圍，但受技術(shù)上的制約，使用也有一定限制。傳統的懸掛控制系統設計是采用單片機作為系統控制器，通過(guò)軟件編程實(shí)現各種算法和邏輯控制，但由于其芯片資源有限，運算速率慢和易受干擾等因素，因而在較大系統的開(kāi)發(fā)上受到限制。FPGA可實(shí)現各種復雜的邏輯功能，密度高，體積小，穩定性高，運算速度快，還可進(jìn)行軟件仿真和調試，適合作為大規模實(shí)時(shí)系統的控制核心。本文采用Verilog FPGA設計懸掛運動(dòng)控制系統的控制器，通過(guò)輸入模塊傳送控制參數，采用HDL語(yǔ)言編程實(shí)現的控制算法，驅動(dòng)步進(jìn)電機，對懸掛運動(dòng)物體進(jìn)行精確的控制。 1 系統設計方案 本設計具體設計目標為控制系統能夠通過(guò)鍵盤(pán)或其他方式任意設定物體坐標點(diǎn)參數，且物體在80 cm×100 cm的范圍內做自行設定的運動(dòng)，運動(dòng)軌跡既有曲線(xiàn)(圓)，也有直線(xiàn)(任意兩點(diǎn)和定點(diǎn))，物體在運動(dòng)時(shí)能夠在板上畫(huà)出運動(dòng)軌跡，限制在一定的時(shí)間內完成。根據設計指標，需要實(shí)現勾畫(huà)設定軌跡和對設定軌跡的搜尋功能，并能實(shí)時(shí)地顯示物體中畫(huà)筆所在位置坐標。其系統方案框圖如圖1所示。 控制模塊是整個(gè)系統的核心，鍵盤(pán)輸入模塊產(chǎn)生按鍵信號，按鍵信號送人FPGA對物體進(jìn)行設置校正以及軌跡參數設定，FPGA對送來(lái)的信號進(jìn)行分析、運算、處理，將控制信號輸送到電機驅動(dòng)模塊，控制電動(dòng)機的轉速，使物體的運動(dòng)軌跡得以控制，同時(shí)由顯示模塊顯示物體中畫(huà)筆的坐標。 2 系統各模塊的設計與實(shí)現 2．1 控制模塊 系統結構圖如圖2所示。其中，控制模塊是系統設計的核心，由FPGA實(shí)現。此模塊是通過(guò)HDL硬件描述語(yǔ)言，在智能型可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)試驗系統KH- 310的硬件平臺來(lái)控制設計的，利用FPGA芯片可實(shí)現對步進(jìn)電機的控制功能。功能包括：步進(jìn)電機的正轉、反轉、定位功能及調速等功能。FPGA由輸入的數據來(lái)計算物體要移動(dòng)的距離，直接發(fā)出控制脈沖控制電機的轉動(dòng)，進(jìn)而控制物體的運動(dòng)方向。由于少了反饋電路，系統的精度只與FPGA采用的算法準確性有關(guān)，此種方式電路結構簡(jiǎn)單，成本低且易于調整和維護，是一種較理想的方式。 2．2 鍵盤(pán)模塊 鍵盤(pán)是實(shí)現人機交流的一種裝置。在本系統中，采用4×4矩陣式鍵盤(pán)共陽(yáng)極接法。鍵盤(pán)上的每一個(gè)按鍵其實(shí)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，當某鍵被按下時(shí)，該按鍵的接點(diǎn)會(huì )呈現0的狀態(tài)設置鍵；反之，未被按下時(shí)則呈現邏輯1的狀態(tài)。鍵盤(pán)各鍵布局及功能介紹如圖3所示。 “0”～“9”：數字輸入，用于設定一個(gè)坐標點(diǎn)的X，Y值；而且鍵1、鍵2、鍵3、鍵4、鍵5、鍵6和鍵9具有第二功能。 “A”：?jiǎn)?dòng)鍵，用于所選運行方式的開(kāi)始運行控制鍵。 “B”：復位，用于各項初始化。 “C”：確定鍵，用于設置、方式輸入值的確定。 “D”：停止，用于停止步進(jìn)電機轉動(dòng)。 “E”：設置鍵，手動(dòng)對位或任意設定坐標點(diǎn)參數鍵，按上、下、左、右鍵進(jìn)行手動(dòng)對位控制，再按確認鍵確認(圖4所示)。 “F”：方式鍵：首先按下方式鍵，然后按數字鍵選擇方式再確認(如圖5所示)，方式有以下幾種： 方式1：歸位，讓物體自行回到原點(diǎn)。 方式2：做自行設定的運動(dòng)。 方式3：畫(huà)圓，首先利用數字鍵設置圓半徑進(jìn)行確認后，再按啟動(dòng)鍵運行。 方式4：定點(diǎn)運動(dòng)，首先利用數字鍵設置一個(gè)坐標點(diǎn)的X，Y值進(jìn)行確認后，再按啟動(dòng)鍵運行。 方式5：尋跡，首先讓物體運行在軌跡起點(diǎn)，按下啟動(dòng)鍵開(kāi)始尋跡。 2．3 電機驅動(dòng)模塊 采用功率驅動(dòng)電路L298內含4通道邏輯驅動(dòng)電路，分別控制步進(jìn)電機四組線(xiàn)圈A，／A，B，／B通電與否。步進(jìn)電機的激磁信號則由智能型可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)試驗系統KH-310試驗平臺上的JP4的信號輸入控制，分別驅動(dòng)步進(jìn)電機的A，／A，B，／B線(xiàn)圈，采用兩相激磁方式。 2．4 電機電路 電機是整個(gè)系統實(shí)現功能的主要載體之一，它的主要功能是通過(guò)對纏繞其上的繩子的伸縮來(lái)實(shí)現懸掛物體的運動(dòng)。步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。本系統使用42BYG型號步進(jìn)電機，其原理是將電脈沖信號轉換成角位移，它的轉子的轉角與輸入的電脈沖數成正比，轉速與輸入的電脈沖的頻率成正比，旋轉方向由脈沖的分配順序決定，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數控制步進(jìn)電機的角位移量，從而達到準確定位的目的。 2．5 顯示模塊 液晶顯示器是將液晶置于兩片導電玻璃之間，靠?jì)蓚�(gè)電極間電場(chǎng)的驅動(dòng)，引起液晶分子扭曲向列的電光效應，在電源的開(kāi)關(guān)之間控制光源透射或遮蔽，產(chǎn)生明暗兩種效果。本系統采用16×2 LCD液晶顯示屏作為人機對話(huà)的友好界面。系統設計實(shí)現物體所在坐標和畫(huà)筆所畫(huà)線(xiàn)段的長(cháng)度的動(dòng)態(tài)顯示，并有輸入光標跟隨和開(kāi)機等待提示等人性化功能。 3 系統軟件設計 設計系統的總流程相對比較簡(jiǎn)單，采用VerilogHDL語(yǔ)言。為達到設計指標的控制精度和響應時(shí)間，針對各項功能設計相應的控制算法。系統流程圖如圖6所示。 3．1 兩點(diǎn)運動(dòng)算法與實(shí)現 采用數學(xué)建模法，運用幾何知識把物體運動(dòng)軌跡和兩個(gè)電機所在的位置聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)坐標用數學(xué)表達式表示出來(lái)，并轉換成電機所要轉動(dòng)的偏移量，最后把偏移量轉化為電機所要轉的速度。結合圖7說(shuō)明，設L1為左繩在d點(diǎn)的線(xiàn)長(cháng)，L2為右繩在d點(diǎn)的線(xiàn)長(cháng)，L1'為左繩在e點(diǎn)的線(xiàn)長(cháng)，L2'為右繩在e點(diǎn)的初始線(xiàn)長(cháng)，被控對象物體的受限區域的頂點(diǎn)坐標分別為a(xa，ya)，b(xb，yb)， c(xc，yc)，o(0，0)，當懸掛物從d點(diǎn)運動(dòng)到e點(diǎn)時(shí)，左繩和右繩的長(cháng)短必然發(fā)生變化，電機M1的收放線(xiàn)長(cháng)度為△L1，當△L10時(shí)，電機反轉。電機M2的收放線(xiàn)長(cháng)度為△L2，當△L20時(shí)，電機正轉。計算如下： 從鍵盤(pán)輸入起始坐標值(xd，yd)，將(xd，yd)代入式(1)和式(2)中計算出L1和L2，再從鍵盤(pán)輸入終點(diǎn)坐標值(xe，ye)代入式(3)和式(4)中計算出L1'和L2'，兩點(diǎn)(定點(diǎn))運動(dòng)算法流程圖如圖8所示。 3．2 做圓運動(dòng)的算法和實(shí)現 本系統設計指標懸掛物能夠畫(huà)一個(gè)圓，采用微分曲線(xiàn)直線(xiàn)逼近法，首先將圓周等分為N 份，將每小份弧線(xiàn)段等效為直線(xiàn)段畫(huà)出，N越大，曲線(xiàn)就越光滑。設所畫(huà)圓的圓心坐標為(x0，y0)，半徑為25 cm，(x，y)為圓周上的任意一點(diǎn)，由此確定圓的方程為：(x-x0)2+(y-y0)2=252。若直接使用該方程來(lái)求圓上點(diǎn)的坐標，算法復雜；若采用圓的參數方程：X=x0+25cosθ，Y=y0+25sinθ，則圓的坐標僅與參數θ有關(guān)。因此，使角度以θ某一設定的角度步長(cháng)ω累加，使θ+pω在周期[θ，θ+2π]內變化，其中p為累加值。這樣就可以采樣到圓上均勻的點(diǎn)，顯然，角度步長(cháng)ω越小，在圓周上取得點(diǎn)越多，控制也會(huì )更精確。根據圓的參數方程，計算圓上點(diǎn)的坐標，通過(guò)調用定點(diǎn)程序來(lái)實(shí)現。畫(huà)圓流程圖如圖9所示。 4 結 語(yǔ) 系統硬件在智能型可編程器件實(shí)驗系統KH-310集成開(kāi)發(fā)，軟件設計在QuartusⅡ環(huán)境下。系統各組成模塊通過(guò)Modelsim進(jìn)行仿真，選用優(yōu)化效率和兼容性好的綜合器Synplify對程序進(jìn)行綜合，用A1tera公司的EPEC6Q24OC8L作為編程芯片，系統在1 MHz下工作，經(jīng)現場(chǎng)實(shí)驗，其結果表明：該系統可以通過(guò)鍵盤(pán)任意設置懸掛運動(dòng)物體的位置；在規定時(shí)間和運動(dòng)區域的情況下，可以快速地完成運動(dòng)距離；可以完成運動(dòng)坐標點(diǎn)的顯示和電機啟／停功能。 本文設計的基于FPGA控制的步進(jìn)電機懸掛運動(dòng)控制系統具有可靠的硬件和優(yōu)良的軟件設計支持，可實(shí)現對懸掛運動(dòng)的精確定位。利用FPGA實(shí)時(shí)控制能力和步進(jìn)電機的精確定位能力，完全可以設計出高性能高精度的控制系統，例如改善人工清洗高樓幕墻容易發(fā)生危險狀況，將懸掛物設置成清洗機構。在現代工業(yè)、農業(yè)和國防建設中，使用和推廣這種系統，有著(zhù)十分重要的現實(shí)意義。 |
